湖泊水质模型研究进展-万金保

�第16卷第6期2007年11月长江流域资源与环境ResourcesandEnvironmentintheYangtzeBasinVol.16No.6Nov.2007���文章编号:1004�8227(2007)06�0805�05湖泊水质模型研究进展万金保,李媛媛(南昌大学环境科学与工程学院教育部重点实验室,江西南昌330029)摘�要:湖泊是最重要的淡水资源之一,对社会和经济的发展起着不可估量的作用。保护和改善湖泊水环境问题已成为当前世界关注的一个焦点。湖泊水质模型是一种利用数学语言来描述湖泊污染过程中的物理、化学、生物化学及生物生态各方面之内在规律和相互联系的手段。作为湖泊水环境污染治理、规划决策分析中的一个重要工具,它可以为湖泊的综合整治和科学管理提供科学的依据,在环境保护领域中发挥着举足轻重的作用。分别介绍了湖泊水质模型国内外研究动态、类型、常用软件(WASP、EFDC、CE�QUAL�W2、CE�QUAL�R1、CE�QUAL�ICM、MIKE、SMS等)和应用实例,并综观湖泊水质模型的研究历史和应用前景,系统分析了湖泊水质模型研究的发展趋势。关键词:水质模型;模型;湖泊;富营养化文献标识码:A��湖泊是最重要的淡水资源之一,是一种易为人们直接利用的自然资源,有史以来就是人类赖以生存、栖息之地,具有举足轻重的生态服务功能,对社会和经济的发展起着不可估量的作用。随着经济的迅速发展以及城市化进程加快,加以湖泊流域一些不合理的开发活动,导致湖泊富营养化、湖泊淤积或萎缩、湖泊生态被破坏和水质恶化,使湖泊流域的社会和经济可持续发展受到制约。如何保护和改善湖泊环境已日趋成为当前世界关注的一个焦点。要保护和改善湖泊环境,首先就必须要强化湖泊水环境管理与规划。水质模型的引入可以为湖泊水环境管理与规划提供有效的技术支持。湖泊水质模型是一种利用数学语言来描述湖泊污染过程中的物理、化学、生物化学及生物生态各方面之内在规律和相互联系的手段。它的成功运用将会为湖泊的综合整治和科学管理提供科学的依据。1�湖泊水质模型研究进展1.1�国内外研究动态简述湖泊水质模型是在河流水质模型发展的基础上建立起来的。对它的研究,始于20世纪60年代中期。经过了40多年的发展历程,湖泊水质模型已经逐渐成熟完善起来,取得了很多成果。在模型结构上从简单的零维模型发展到复杂的水质�水动力学�生态综合模型和生态结构动力学模型[1],在理论上发展了许多新鲜的理论,如随机理论、灰色理论和模糊理论等,在研究方法上也结合运用了迅猛发展的计算机新技术如人工神经网络(ANNS)和地理信息系统(GIS)等。这些成果都极大地推动了湖泊水环境管理技术的现代化[2]。从湖泊水质模型的研究情况来看,一些国家如美国、加拿大、丹麦、德国、荷兰、澳大利亚等走在了世界湖泊水质模型研究的前沿,特别是美国,在该领域上占着绝对的主导地位。自1925年率先推出第一个河流DO模型(Streeter�Phelps模型)以来,美国又相继成功开发了很多有效的水质模型,包括许多先进的湖泊水质模型,如WASP、SMS、CE�QUAL�W2、CE�QUAL�R1等[3],并得到广泛运用。加拿大学者Vollenweider于1975年提出了第一个预测湖泊水中营养性物质的�Vollenweider模型�[4],为湖泊水质富营养化问题的研究做出了贡献。与国外相比,我国水质模型的研究起步较晚,20世纪80年代中期才开始湖泊水动力学数值模拟的研究。不过近20多年以来也取得了一些的成果。如河海大学开发了河网、水质统一的Hwqnow模型。华东师大、清华大学、同济大学在这方面也开展了一些工作。上海市对苏州河水系水动力水质模型的收稿日期:2006�07�20;修回日期:2006�09�20作者简介:万金保(1952~�),男,江西省南昌人,教授,博士生导师,主要从事水污染控制理论与方法研究.研究达到一个前所未有的理论深度[3]。我国的研究主要集中在太湖、滇池、巢湖等污染严重的湖泊。其中,太湖是目前我国在水动力学、水质和生态系统动力学模型方面开展研究相对较多的湖泊,成功应用了很多的模型,如太湖三维动态边界层模型、梅梁湾三维营养盐浓度扩散模型、太湖藻类生长模拟[1]等。1.2�湖泊水质模型的类型根据湖泊的形状与性质,其水质模型可分为完全混合型和非均匀混合型[5]。1.2.1�完全混合型对于面积小、封闭性强、四周污染源多的小湖或湖湾,污染物入潮后,在湖流和风浪作用下,与湖水混合均匀,湖泊各处污染源浓度均一。对完全混合型的湖泊,根据物质平衡原理���某时段任何污染物含量的变化等于该时段流入总量减去流出总量,再减去元素降解或沉淀等所损失的量,建立数学方程如下:�M�t=�-��-KM对难降解的污染物为�M�t=�-���M=Mt-M0式中:Mt�